混沌理论应用于数字档案图像安全探析

王玲

摘 要  本文从档案图像安全的研究背景入手，对国内外档案图像的安全进行现状分析，说明了数字档案图像信息安全的重要性。简要介绍几种当前数字档案图像的加密方法，提出基于混沌理论的数字档案图像加密方法，从加密结构、模型建立和纠错机制三个方面进行简要分析，阐述混沌理论如何实现对数字档案图像的保护。

关键词 混沌理论 数字档案图像 信息安全

档案，是人类历史文明的产物与财富，实现档案的开放利用与安全保障，是档案工作的基石与使命，是对历史文化的传承与开发。随着计算机网络技术发展的深入，使得档案信息化发展加快，档案行业也对计算机网络及其系统的依赖性不断增强。计算机网络技术在档案信息化中扮演着重要的角色，由于网络具有很强的开放性，会给档案图像和信息系统带来许多不确定的安全隐患，所以研究数字档案图像安全保障体系，对于确保我国数字档案信息安全、数字档案信息完整存储和安全利用具有十分重要的作用，对我国数字档案事业的顺利进行具有重大的推动作用。

一、数字档案图像安全的研究背景

随着数字技术以及计算机网络的快速发展，数字图像[1]成为信息表达和传递的主要方式之一，被越来越多地应用到政治、经济、军事、教育等各领域，人们可以通过网络便捷地传输各种图像信息。然而，由于数字信息极易被复制、篡改、非法传播和蓄意攻击[2]，人们在享受信息快捷便利的同时，也对信息传输的安全性和保密性提出了更高的要求，尤其在政治、经济、军事等敏感场合对保密性和安全性的要求更激励了人们对图像信息安全的研究。而档案图像是由于其特殊属性，往往比一般的数字图像包含更多信息，其重要性也更加突出。

国外关注此课题研究的时间较早，因此也很早就开始采取相应措施来应对档案图像面临的风险威胁，重视程度也超过我国，比较典型的两个国家是美国和加拿大。他们在研究应对策略的同时，也制定了详细的法律法规作为依据，并且采取了较全面的安全措施来实施保护，方法值得我国学习。美国最早提出保护数字档案信息安全的观点，他们不仅建立了专门管理机构，还将此观点加入到美国的数字档案信息安全保障体系中，也制定了十分完善的管理机制，档案信息的数字化进程已经步入一个崭新阶段。

我国对于档案图像安全保障相关课题研究比国外晚，开始关注数字档案信息安全是在20世纪90年代末，一直到2002年才开始对档案图像信息进行更深层次的研究并且逐步完善其具体内容。国内研究人员提出数字档案图像[3]安全要进行全面、多角度考虑，不仅要考虑到国家安危，也要涉及每一个档案机构，要从计算机相关技术和信息安全管理两方面来对未知的安全隐患进行预防，而且要在法律、标准、管理、技术和人才等方面将理论和技术相结合，双管齐下来应对数字档案图像面临的各种风险[4]。

二、数字档案图像的加密方法

数字档案图像具有严谨性、历史性和通用性，互联网在生活中普及的同时，也便利了犯罪分子利用互联网获取未经授权的图像，因此图像所有者需要可靠的图像加密方法来保护他们的利益。图像加密方法主要包括基于压缩技术、基于DNA计算技术、基于数学公式或变换、基于混沌技术等方法。

基于压缩的遥感图像加密方法是一种复杂的、多维度、有效的加密方法。Li[5]利用压缩感知、哈希函数、Arnold置乱和混沌置乱构造了一个数据传输系统，该系统利用压缩感知对多个不同维度的信号进行加密，解决了自适应问题。刘艳等[6]提出了一种基于多模光纤散斑的压缩感知结合双随机相位编码的图像加密方法。

基于DNA计算的图像加密方法是近年来随着DNA计算的发展而出现的一种新的加密方法。Wu[7]构造了一个基于DNA编码和两个低维混沌系统的彩色图像密码系统，利用DNA规则将DNA矩阵转换成加密图像。郭永宁等[8]提出了一种基于2D-SIMM混沌映射和DNA编码的图像加密方法。Liu[9]提出了一种基于动态DNA和4-D记忆超混沌的彩色图像加密方法，该方法对三组原图像进行动态编码，得到三组DNA矩阵。Liu[10]设计了一种基于DNA碱基概率的图像加密算法，用于遥感图像的数据保护。Enayatifar[11]提出了一种基于DNA序列和图像矩阵索引的多图像加密方法。王宏达等[12]将DNA技术同元胞自动机理论相结合，提出了一种新型的加密方法。

基于各种数学公式或变换的图像加密方法受到了研究者的广泛关注，利用复杂的数学公式或变换实现对图像的安全加密，增强了图像的安全性。Li[13]提出并实现了一种基于改进随机数发生器的多轮图像加密算法，该算法利用改进的高斯误差函数将混沌序列映射到另一个序列，对数据进行截断和重组。Hosseinzadeh[14]设计了一种基于三维混沌系统和choquet模糊积分的图像加密算法，引入了一种新型的基于正态分布的三维混合混沌映射，其choquet模糊积分利用b样条函数对像素进行置乱和扩散。李颖莹等[15]提出了一套新的多密钥加密图像检索系统。在这套系统中，研究者应用了局部敏感哈希、安全近邻及代理重加密技术，同时结合了边缘计算技术。

基于混沌技术的图像加密技术，是由于混沌具有非周期性、连续性、類噪性和对初值敏感依赖性的特性。Diab[16]提出了一种基于动态顺序的算法，该算法在对图像进行置换时，利用chebyshevo-chebyshev混沌映射对平面图像信息进行水平和垂直置乱;然后利用修改后的逻辑映射对像素进行扩散。屈双惠等[17]通过引入离子迁移忆阻器对原Chen系统的状态方程进行了变换，提出了一个基于忆阻混沌系统的图像加密技术。李国东等[18]提出了一种基于改进Logistic混沌映射的图像加密方法，在这种方法中研究人员将置乱方法与多方向异扩散相结合。庄志本等[19]提出了一种基于五维多环多翼超混沌系统的数字图像加密方法。

三、运用混沌原理应用于数字档案图像安全

研究基于混沌理论的数字档案图像加密方法，首选需要通过大量的对比实验，确定最优的加密结构，根据加密结构的特点以及档案图像的特殊性，建立基于混沌理论的档案图像加密模型，最后分析图像传递中误差可能出现的情况，完善纠错机制。

1.研究基于混沌理论的档案图像最优加密结构。首先分析图像加密算法[20]的关键结构，从密钥的生成、混沌顺序及序列的产生、图像加密过程和图像解密过程这四个方面进行详细的解析，并确定密钥空间大小、混沌顺序等一系列加密关键结构;接着，研究混沌图像加密算法[21]中常用的评价指标，例如，衡量密钥雪崩效应的密钥敏感性指标、用于测试统计信息的直方图和相邻像素相关系数以及用于衡量算法抗差分攻击或明文雪崩效应的平均像素变化率和归一化平均变化强度，并结合实际的例子，对每个指标进行分析;最后，对现有混沌图像加密的结构进行详细的比较和分析。对常用的四种操作进行比对实验，并通过评价指标对各类结构的加密效果进行评价，找出各种操作的利弊。同时，还分析不同轮数对加密效果的影响，根据档案图像的特点，确定最优加密结构。

2.建立基于混沌理论的档案图像加密方法：首先，根据已确定的档案图像最优加密结构，确定采用的混沌映射。迭代混沌映射产生混沌序列，去除暂态效应，并将档案图像与混沌序列进行编码。然后，拟将初始密钥设为16个0—255之间的数字，并將初始密钥等分为前后两个部分，也就是每一部分都是8个0—255之间的数字。将前半部分的初始密钥作为一个混沌映射的参数和初始值。其次，香农在其经典论文中提出设计密码系统的两个基本的原则：置乱和扩散。置乱的目的是使明文和密文的关系尽可能的复杂[22];扩散的目的是使明文统计的冗余度被消耗在密文的统计中，它意味着密文信息应该以一种复杂的形式依赖于明文信息。采用置乱——扩散加密方法，对编码后的档案图像进行加密。最后，将加密后档案图像信息进行反编码，生成加密后的档案图像。再对该混沌档案图像加密方法的抗干扰能力进行分析，拟分别引入高斯噪声、泊松噪声以及椒盐噪声干扰加密后的图像。通过实验检验基于混沌理论的档案图像加密方法的抗干扰能力。

3.研究档案图像加密方法的纠错技术：首先，在基于混沌理论的档案图像加密方法中，需要用到混沌映射参数设置、密钥生成与分配、置乱与扩散[23]等一系列操作，详细研究每一步操作，并分析误差产生的机理。其次，总结上述各类误差产生的机理，并依据误差对实验结果的影响大小，选出影响较大的几类误差。根据误差的性质，结合纠错码理论的研究成果，选择合适的纠错码用于混沌档案图像加密方法的纠错，建立基于混沌理论的档案图像的纠错技术。最后，依据上述的档案图像纠错技术，调整并改进档基于混沌理论的档案图像加密方法，使得该型具有部分纠错能力，并及时调整方法的参数以及加密结构及过程，确保结果的准确性。

四、数字档案图像信息的安全技术展望

图像加密作为信息防护的主要手段，在档案图像信息[24]的信息保护与完整性认证方面得到了迅猛的发展。由于数字档案图像信息的数据量巨大[25]，且相邻像素间具有很强的相关性，因此需要更加安全、可靠和实用的档案图像加密方法及实现技术，以应对新的挑战。随着电子信息安全防护研究的不断深入，混沌理论以及未来出现的加密方法应用于数字档案图像[26]的加密技术将会得到更加长远的发展。

参考文献

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